第7章_2011_5.

第7章抗衰落技术分集技术信道编码均衡技术概述陆地移动信道、短波电离层反射信道等随参信道引起的多径时散、多径衰落、频率选择性衰落、频率弥散等，会严重影响接收信号质量，使通信系统性能大大降低。为了提高随参信道中信号传输质量，必须采用抗衰落的有效措施。常采用的技术措施有抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控制技术、分集接收技术等。分集包含有两重含义：一是分散接收，使接收端能得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号；二是集中处理，即接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。分集技术分集技术(DiversityTechniques)是一种利用多径信号来改善系统性能的技术。理论基础是认为不同支路的信号所受的干扰具有独立性，即各支路信号所受的干扰情况不同。因而，有可能从这些支路信号中挑选出受干扰最轻的信号或综合出高信噪比的信号来。基本思想是利用移动通信的多径传播特性，在接收端通过某种合并技术将多条符合要求的支路信号合并输出，从而大大降低多径衰落的影响，改善传输的可靠性。对这些支路信号的基本要求是：传输相同信息、具有近似相等的平均信号强度和相互独立的衰落特性。分集技术的特点通过自然界无线传播环境中的独立（或至少高度不相关）多径信号来实现的。相对投资低廉。克服小尺度衰落（由移动台附近物体的复杂反射引起），可以采用双天线接收分集。克服大尺度衰落（由于周围环境地段和地物的差别而导致的阴影区引起），可以选择一个所发信号不在阴影区的基站位置选择发射分集。为了在接收端得到多个互相独立或基本独立的接收信号，一般可利用不同路径、不同频率、不同角度、不同极化、不同时间等接收手段来获取。因此，分集方式也有空间分集、频率分集、角度分集、极化分集等多种方式。空间分集（天线分集）在移动通信中,空间略有变动就可能出现较大的场强变化,空间分集就是利用场强随空间的随机变化而实现的。空间距离越大,多径传播的差异就越大,所接收场强的相关性就越小。空间分集的实现(1×N)：在发射端采用一副发射天线,接收端采用多副（N）接收天线。只要接收端天线之间的间隔d足够大,就能保证各接收天线输出信号衰落特性的相互独立性。经过测试和统计,CCIR建议为了获得满意的分集效果,接收天线之间的间距应大于0.6个波长,即d＞0.6λ,并且最好选在λ/4的奇数倍附近。发射天线发射端接收天线1接收端分集接收d接收天线2接收天线………空间分集是移动通信系统中最常用的分集技术。对于空间分集而言,分集的支路数m越大,分集效果越好。但当m较大(如m3)时,分集的复杂度增加,分集增益的增加随着m增大而变得缓慢。频率分集频率分集就是在发射端将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频之间的间隔足够大(大于相干带宽)，那么在接收端就可以得到衰落特性互不相关的信号，从而减小信号的衰落，提高通信质量。相干带宽指的是频带最大带宽，在此带宽内，两个信号的传输系数的统计特性是强相关的，但当两个频率之间的间隔超过相干带宽时就不相关了。相干带宽Bc可用下式估计:式中，Δ为多径时延扩展的脉冲展宽时间。例如，市中Δ=3μs,Bc约为53kHz。21cB发射机1发射机2接收机12接收机频率分集需要用两部以上的发射机(频率相隔53kHz以上)同时发送同一信号，并用两部以上的独立接收机来接收信号。它不仅使设备复杂，在频谱利用方面也很不经济。角度分集这是利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量；由于这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。时间分集时间分集是将给定的信号在时间上相隔一定的间隔ΔT重复发送(m次),只要这些时间间隔大于信道的相干时间,就能保证信号衰落的不相关性,从而在接收端得到多条独立的分集支路。RAKE接收是时间分集在移动通信系统中的典型应用。时间分集的接收原理如图所示接收机存储器比较时间分集有利于克服移动通信中由多普勒效应引起的信号衰落现象。由于该衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关,因此为了保证重复发送的信号具有相互独立性,必须要使信号的重发时间间隔ΔT满足如下关系:式中,fm为衰落频率，v为车速，λ为工作波长。可见，当移动台处于静止状态(即v=0)时，要求ΔT为无穷大，因而此时的时间分集基本上是没有用处的。/2121vfTm极化分集极化分集的理论依据是两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号具有不相关的衰落特性。具体来讲，在发射端的同一地点分别装上垂直极化天线和水平极化天线，在接收端的同一位置也分别装上垂直极化天线和水平极化天线，就可得到两路衰落特性不相关的信号。极化分集实际上是空间分集的特殊情况——分集支路只有两路且相互正交。极化分集的优点是结构比较紧凑，节省空间。其缺点是由于发射功率被分配到两副天线上，因而信号功率将有3dB的损失。分集合并技术接收端接收到m(m≥2)个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。假设M个输入信号电压为r1(t)，r2(t),…，rM(t)，则合并器输出电压r(t)为对分散的信号进行合并的方法通常有以下几种:(1)选择式合并:从几个分散的信号中选择信噪比最好的一个作为接收信号。该合并方式中，加权系数只有一项为1，其余均为0。(2)等增益合并:把几个分散信号以相同的支路增益（增益系数），经相位调整后，同相相加，再送入检测器进行监测。(3)最大比值合并:控制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正比，即根据各支路的信噪比来设置增益值，经过相位调整后，同相相加，再送入检测器进行检测。MkkkMMtratratratratr12211)()()()()(相加选择式合并Selectioncombiningdiversity接收机数据判定Datadetection接收机接收数据Recovereddata天线#0天线#1天线#0天线#1tAr(t)分集合并的性能分析思路1.选择式合并的性能-中断概率的分析计算设第k个支路的信号功率为，噪声功率为Nk,可得第k支路的信噪比为2/2krkkkNr22每支路的信噪比大于门限值γt，才能保证接收机输出的话音质量(或信息速率或误码率)达到要求。如果此信噪比因为衰落而低于这一门限时，则认为这个支路的信号必须舍弃不用。只有全部M个支路的信噪比都达不到要求，才会出现通信中断。若第k个支路中γk＜γt的概率为Pk(γk＜γt)，则在M个支路情况下中断概率以PM(γs＜γt)表示时，可得)()(1tkkMktsMPPγk≤γt，即，或tkkNr2/2tkkNr2因此)2()(1tkkMkktsMNrPP设rk的起伏服从瑞利分布，即)2/(222)(kkrkkkkerrp可得tkktkNNkkktkkkedrrPNrP20/21)()2(则MkNtsMktkeP1/)1()(2如果各支路的信号具有相同的方差，即22221各支路的噪声功率也相同，即NNN21并令平均信噪比为σ2/N=γ0，则MtsMteP)1()(0/由此可得M重选择式分集的可通率为MtsMtePT)1(1)(0/由于的值小于1，因而在γt/γ0一定时，分集重数M增大，可通率T随之增大。)1(0/te图选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线其中：M=1表示无分集，M=2为二重分集，M=3为三重分集，等等。由图可知，当超过纵坐标的概率为99%时，用二重分集(M=2)和三重分集(M=3)的信噪比与无分集(M=1)的情况相比，分别有10dB和14dB的增益。但是，当分集重数M＞3时，随着M的增加，所得信噪比增益的增大越来越缓慢。因此，为了简化设备，实际中常用二重分集或三重分集。2.最大比值合并-最优加权系数的确定假设各支路的平均噪声功率是相互独立的，合并器输出的平均噪声功率是各支路的噪声功率之和，即为。因此合并器输出信噪比MkkkNa12MkkkMkkkRNara12212/设第k个支路的信号功率为，噪声功率为Nk,可得第k支路的信噪比为。合并器输出信号包络r(t)为：2/2krkkkNr22MkkkMMtratratratratr12211)()()()()((7-1)由于各支路信噪比为kkkNr22即kkkNr2代入式(7-1),可得MkkkMkkkkRNaNa1221(7-2)kVSkr根据许瓦尔兹不等式MkMkMkqppq121221现令kkNapkq则有MkkMkkkMkkkkNaNa11221CNakkk/当且仅当时，上式取等号。利用上述关系式，代入式(7-2)得MkkMkkkMkkMkkkRNaNa112112由上式可知，最大比值合并器输出可能得到的最大信噪比为各支路信噪比之和，即MkkR1max(7-3)综上所述，最大比值合并时各支路加权系数与本路信号幅度成正比，而与本路的噪声功率成反比，合并后可获得最大信噪比输出。若各路噪声功率相同，则加权系数仅随本路的信号振幅而变化，信噪比大的支路加权系数就大，信噪比小的支路加权系数就小。CNakkk/当且仅当时，MkkR1max)2/()()2/(/kkkkkkkkNCrNNCrNCa2C令，则，所以kkkNra/MkkkMkkkRNrrar121RAKE分集接收技术在移动通信中，多径传播往往会产生有害的多径干扰。但在扩频通信系统中却可以对这些多径信号进行分离和合并，实现多径分离，以改善系统的性能。具有这种功能的接收机称为RAKE接收机。理论基础:当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可被看作是互不相关的。1958年Price和Green提出一种解决多径的方法：利用伪PN码的特征，时移序列与原序列相关性小。因相关接收机图看似像耙子(RAKE)，而称为RAKE接收机。RAKE接收机包含多个相关器，每一相关器接收一个多径信号，多径信号被相关器解扩后，可按最大比组合在一起。因为接收到的多径信号的衰落是独立的，经分集后，系统的性能可得到改善，这也是CDMA系统的话音质量优于TDMA系统，通话时不易掉话的原因之一。CDMA系统中基站4路RAKE，移动台3路RAKE的基本原理图CDMA系统中RAKE接收机的基本原理图图中假设有多条路径，各路径具有不同的时延t1、t2、t3tN，以及不同的衰落因子a1、a2、a3aN。RAKE接收机设计成三个支路对应三条路径的多径分量。对每一支路，接收信号分别与一个对应时延t的扩频码相关，信号经解扩后加权再组合，从而达到分集接收的目的。相关时延小于码片宽度的多径分量不能被分解。1.2288Mcps的PN码片允许以0.814μs的时间间隔分解多径成分。相关器1相关器2相关器3搜索器合并信道估计信道编码由于通信信道,尤其是无线通信信道,容易受到外界干扰和噪声的影响,因此导致信息在传输过程中发生改变,从而在接收端接收不到完全正确的信息。为了保证通信的可靠性,必须采用信道编码。信道编码能够检查和纠正接收信息流中的差错。信道分类：从差错控制角度看随机信道：错码的出现是随机的。一般由加性随机噪声引起。突发信道：错码是成串集中出现的。如光盘上的一条划痕等。混合信道：既存在随机错码又存在突发错码根据发送端信道编码的特性,接收端在解码后采取的差错控制